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《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》 一、 填空題（每題4分，共計40分） 1. 傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個基本要素：傳感器、感知對象、用戶(觀察者) 傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能：協(xié)作式的感知、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、發(fā)布感知信息 無線傳感器節(jié)點的基本功能：采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、控制、通信 2. 常見的同步機(jī)制：RBS（ReferenceBroadcastSynchronization），Ting/Mini-Sync和TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks） 3. 無線通信物理層的主要技術(shù)包括：介質(zhì)選擇、頻段選取、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻技術(shù) 4. 定向擴(kuò)散路由機(jī)制可以分為三個階段：興趣擴(kuò)散階段、梯度建立階段、數(shù)據(jù)傳播階段、路徑加強(qiáng)階段 5. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點：大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)、自組織網(wǎng)絡(luò)、可靠的網(wǎng)絡(luò)、以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、時間同步、定位技術(shù)、數(shù)據(jù)融合及管理、網(wǎng)絡(luò)安全、應(yīng)用層技術(shù) 6. IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)主要包括：物理層 、介質(zhì)訪問控制層 7. 簡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)后臺管理軟件結(jié)構(gòu)與組成：后臺管理軟件通常由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理引擎、圖形用戶界面和后臺組件四個部分組成 8. 數(shù)據(jù)融合的內(nèi)容主要包括：多傳感器的目標(biāo)探測、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、跟蹤與識別、情況評估和預(yù)測 9. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以選擇的頻段有： 868MHz 、915MHz、2.4GHz、5GHz 10. 傳感器網(wǎng)絡(luò)的電源節(jié)能方法：休眠（技術(shù)）機(jī)制、數(shù)據(jù)融合 11. 傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題：(1) 機(jī)密性問題 (2) 點到點的消息認(rèn)證問題 (3) 完整性鑒別問題 12. 基于競爭的MAC協(xié)議 S-MAC協(xié)議 T-MAC協(xié)議 Sift協(xié)議 13. 傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成 14. 故障修復(fù)的方法 基于連接的修復(fù) 基于覆蓋的修復(fù) 15. 基于查詢的路由 定向擴(kuò)散路由 謠傳路由 二、 問答題（每題10分，共計60分） 1. 簡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作過程，傳感器節(jié)點的組成和功能。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。 傳感器節(jié)點由電源、感知部件、嵌入式處理器、存儲器、通信部件和軟件這幾部分構(gòu)成。電源為傳感器提供正常工作所必需的能源。感知部件用于感知、獲取外界的信息，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。處理部件負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作，如對感知部件獲取的信息進(jìn)行必要的處理、保存，控制感知部件和電源的工作模式等。通信部件負(fù)責(zé)與其他傳感器或用戶的通信。軟件為傳感器提供必要的軟件支持，如嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等。 2. GPSR協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模式有哪些？區(qū)別是什么？ GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing)路由協(xié)議是貪婪算法(Greedy)和圖形算法的結(jié)合，它不需要維護(hù)路由表，是一種無狀態(tài)的路由協(xié)議。 GPSR協(xié)議具有貪婪轉(zhuǎn)發(fā)((Greedy Forwarding)和周界轉(zhuǎn)發(fā)(Perimeters Forwarding)兩種分組轉(zhuǎn)發(fā)方式。 （1）貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法 貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法是一種基于地理信息的路由算法。貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法的前提是每個分組都已包含其目的節(jié)點位置或目標(biāo)區(qū)域位置，每個節(jié)點都已知自己及自接鄰節(jié)點的位置。 貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法總是朝距離目的節(jié)點最近的鄰節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分組，如圖7-14所示。 （2）周界轉(zhuǎn)發(fā) 如圖7-15所示，采用周界轉(zhuǎn)發(fā)方式時，通常采用右手規(guī)則確定轉(zhuǎn)發(fā)的路徑。 圖7-16給出了右手規(guī)則的基本原理。當(dāng)一個數(shù)據(jù)分組從節(jié)點x到達(dá)節(jié)點y時，它經(jīng)過下一邊時以y為頂點，沿(y,x)逆時針方向上的第一條鏈路，如圖所示的為(y,z)，后續(xù)的同樣依照此規(guī)則來確定，直到數(shù)據(jù)到達(dá)目的節(jié)點為止。 GPSR路由協(xié)議同時采用了貪婪算法和周界轉(zhuǎn)發(fā)來對數(shù)據(jù)分組進(jìn)行傳送。在完整的拓?fù)鋱D中采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)找不到下一跳節(jié)點時，則在平面圖中采用周界轉(zhuǎn)發(fā)決定數(shù)據(jù)分組的下一跳。 3. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議有哪些類型？路由協(xié)議的設(shè)計要求？ 協(xié)議主要分為四類:基于聚簇的路由協(xié)議、以數(shù)據(jù)為中心路由協(xié)議、基于地理位置路由協(xié)議和能量感知路由協(xié)議 現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計以節(jié)能、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期為主要目的。 　　(1)QoS 路由。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究重點主要集中在能量效率上, 而在未來的研究中可能還需要解決由視頻和成像傳感器以及實時應(yīng)用引起的QoS 問題。 　　(2)支持移動性。目前的WSNs 路由協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涓兄芰鸵苿有缘闹С直容^差,如何在控制協(xié)議開銷的前提下,支持快速拓?fù)涓兄且粋€重要挑戰(zhàn)。 　　(3)安全路由。由于WSNs 的固有特性,其路由協(xié)議極易受到安全威脅, 是網(wǎng)絡(luò)攻擊的主要目標(biāo), 設(shè)計簡單、有效、適用于WSNs 的安全機(jī)制是今后努力的方向。 　　(4)有效功耗。WSNs 中數(shù)據(jù)通信最為耗能,今后盡量通過使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸中采用過濾機(jī)制來減少通信量,并通過讓各節(jié)點平均消耗能量來保持通信量的負(fù)載均衡。 (5)容錯性。由于WSNs 節(jié)點容易發(fā)生故障,應(yīng)盡量利用節(jié)點易獲得的網(wǎng)絡(luò)信息計算路由, 以確保在路由出現(xiàn)故障時能夠盡快得到恢復(fù),可采用多路徑傳輸來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃? 4. S-MAC協(xié)議實現(xiàn)手段和特點 S-MAC協(xié)議的適用條件是傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn) 行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度的通信延遲。它的設(shè)計目標(biāo)是提供良好的擴(kuò)展性，減少結(jié)點能耗。 S-MAC協(xié)議采用的主要機(jī)制： 1． 周期性偵聽和睡眠 2．流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制 3．串音避免 4. 消息傳遞 5. 常用的定位方法有哪些？各有什么特點？ 基于測距的定位技術(shù)： 基于測距的定位技術(shù)是通過測量節(jié)點之間的距離，根據(jù)幾何關(guān)系計算出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置。解析幾何里有多種方法可以確定一個點的位置。比較常用的方法是多邊定位和角度定位。 (1) 測距方法：接收信號強(qiáng)度指示：信號越強(qiáng)離的越近；到達(dá)時間差：時間短離得近；到達(dá)角：獲得角度 (2) 多邊定位：浮點運算量大，計算代價高。 (3) Min-Max定位方法：計算簡單。 無須測距的定位技術(shù)： (1)質(zhì)心算法:實現(xiàn)簡單，通信開銷小，但僅能實現(xiàn)組粒度定位。 (2)DV-Hop算法：解決了低錨點密度引發(fā)的問題，它根據(jù)距離矢量路由協(xié)議在全網(wǎng)范圍內(nèi)廣播跳數(shù)和位置。 6. 為什么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要時間同步？述RBS、TPSN時間同步算法工作原理。 傳感器節(jié)點通常需要彼此協(xié)作，去完成復(fù)雜的檢測和感知溫度，傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些節(jié)能方案是利用時間同步來實現(xiàn)的。 在分布式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，每個傳感器節(jié)點都有自己的本地時鐘。不同節(jié)點的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及濕度和電磁波的干擾等都會造成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的運行時間偏差。 RBS同步協(xié)議的基本思想是多個節(jié)點接收同一個同步信號，然后多個收到同步信號的節(jié)點之間進(jìn)行同步。這種同步算法消除了同步信號發(fā)送一方的時間不確定性。這種同步協(xié)議的缺點是協(xié)議開銷大。 TPSN協(xié)議采用層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，首先將所有節(jié)點按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行分級，然后每個節(jié)點與上一級的一個節(jié)點進(jìn)行時間同步，最終所有節(jié)點都與根節(jié)點時間同步。 7. 為什么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要節(jié)點定位，簡述基于距離的定位算法三邊測量算法、三角 測量算法的工作原理。 傳感器節(jié)點的自身定位是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)。許多應(yīng)用都要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點預(yù)先知道自身的位置，并在通信和協(xié)作過程中利用位置信息完成應(yīng)用要求。若沒有位置信息，傳感器節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)幾乎是沒有應(yīng)用價值的。所以，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，節(jié)點的定位成為關(guān)鍵的問題。 基于距離的定位算法：通過測量節(jié)點與信標(biāo)節(jié)點間的實際距離或方位進(jìn)行定位 三邊測量算法：已知A、B、C三個節(jié)點的坐標(biāo)，以及它們到節(jié)點D的距離，確定節(jié)點D的坐標(biāo) 三角測量算法：已知A、B、C三個節(jié)點的坐標(biāo)，節(jié)點D相對于節(jié)點A、B、C的角度，確定節(jié)點D的坐標(biāo)； 8. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括哪些部分，各部分的功能分別是什么？ 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)管理平臺、應(yīng)用支撐平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。 物理層：負(fù)責(zé)信號的調(diào)制和數(shù)據(jù)的收發(fā)。 數(shù)據(jù)鏈路層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀監(jiān)測、媒體接入和差錯控制。 網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)。 傳輸層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制。 網(wǎng)絡(luò)管理平臺：對傳感器節(jié)點自身的管理和用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理。 應(yīng)用支撐平臺：為終端用戶提供對各種具體應(yīng)用的支持。 9. 什么路由空洞？如何產(chǎn)生的？怎樣解決？ 在存在空洞的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，如果單純依賴貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，在轉(zhuǎn)發(fā)過程中數(shù)據(jù)包可能會到達(dá)沒有任何鄰居節(jié)點比自身更接近目的節(jié)點的區(qū)域，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法繼續(xù)傳輸，這種現(xiàn)象被稱為路由空洞。 路由空洞會導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法正常傳輸，當(dāng)出現(xiàn)這種情況時，該節(jié)點應(yīng)通過探測空洞周圍的節(jié)點建立拓?fù)鋱D，并利用在GPSR路由協(xié)議中的右手法則沿空洞周圍傳輸，繞開傳輸空洞，使用周界轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制來解決此問題。 10. 定向擴(kuò)散和謠傳路由有什么區(qū)別？ 定向擴(kuò)散(Directed Diffusion，DD)是一種基于查詢的路由機(jī)制，是專門為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的。謠傳路由(Rumor Routing)，其路由的建立是由Sink節(jié)點和源節(jié)點共同發(fā)起并完成的。 謠傳路由與定時擴(kuò)散路由相比，可以有效地減少路由建立過程的開銷，當(dāng)一個節(jié)點產(chǎn)生對某一事件的查詢時，了解路由信息的節(jié)點可通過檢查各自的事件表對查詢做出響應(yīng)，而不需要將其擴(kuò)散到整個網(wǎng)絡(luò)，從而減少了通信成本。另一方面，謠傳路由只維持源節(jié)點到目標(biāo)節(jié)點之間的一條路徑，不同于定向擴(kuò)散協(xié)議的將數(shù)據(jù)以低傳輸速率在多個路徑上路由的方式。但由于謠傳路由使用了隨機(jī)方式生成路徑，所以數(shù)據(jù)傳輸路徑可能不是最優(yōu)路徑，而且容易形成環(huán)路。 11. 部件級故障檢測的常用方法。 （1）基于空間相關(guān)性的故障檢測 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相鄰節(jié)點的同類傳感器所測量的值通常很相近，稱這種特性為空間相關(guān)性。根據(jù)故障檢測時是否需要節(jié)點地理位置信息，可以分為如下兩類：①需要地理位置信息； ②不需要地理位置信息 。 （2）基于貝葉斯信任網(wǎng)絡(luò)故障檢測 貝葉斯信任網(wǎng)絡(luò)包含一個有向圖和與之對應(yīng)的概率表集合。有向圖中的頂點表示變量，邊表示變量之間的影響關(guān)系。貝葉斯信任網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵特征是能夠模型化并推理出不確定因素。模型化節(jié)點間的可靠關(guān)系是通過節(jié)點概率表實現(xiàn)。 應(yīng)用貝葉斯信任網(wǎng)絡(luò)分為構(gòu)造、學(xué)習(xí)、推理三個階段。 12. 簡述LEACH協(xié)議的工作原理。 低功耗自適應(yīng)聚類分級LEACH協(xié)議(LOW Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最早被提出來的分層路由算法。LEACH可以將網(wǎng)絡(luò)整體的生存時間延長15％，其基本思想是通過隨機(jī)循環(huán)地選擇簇頭節(jié)點，將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個傳感器節(jié)點中，從而降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗，提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時間。在協(xié)議中，首先隨機(jī)選擇一個節(jié)點作為簇頭，簇頭開始發(fā)送廣播消息，然后其他普通子節(jié)點根據(jù)信號強(qiáng)弱選擇要加入的簇群。簇頭按照TDMA的方式分給每個普通子節(jié)點一個時隙，并廣播消息。普通子節(jié)點在規(guī)定的時隙內(nèi)向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)。 13. 為什么要進(jìn)行跨層設(shè)計？ （1）無線信道的動態(tài)性 信道傳播的開放性的信道參量的時變性，使無線信道變成了一種不穩(wěn)定的傳輸介質(zhì)。為了保證系統(tǒng)的可用性，往往系統(tǒng)設(shè)計者都是按照信道質(zhì)量最差的情況和系統(tǒng)的最低要求來進(jìn)行保守的設(shè)計，從而低估了對系統(tǒng)性能的評價。 （2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量受限 一般的跨層設(shè)計都兼顧了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能效需求 （3）傳統(tǒng)通信系統(tǒng)分層參考模型的弊端 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的不確定，節(jié)點能量的最小化，以及節(jié)點存在一定的 移動性帶來的拓?fù)渥兓纫蛩?，使得采用傳統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)模型設(shè)計的系統(tǒng)很難滿足用戶應(yīng)用的需求。 14. 傳感網(wǎng)絡(luò)中的點覆蓋優(yōu)化步驟和方法。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)點覆蓋問題的目標(biāo)是實現(xiàn)對某一特定點集的覆蓋 （1）隨機(jī)型點覆蓋問題 假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要對一系列位置已知的點集目標(biāo)進(jìn)行檢測。大量無線傳感器節(jié)點散布在目標(biāo)周圍，這些無線傳感器節(jié)點將檢測信息傳輸給中央處理節(jié)點。節(jié)點覆蓋優(yōu)化后，要求每個目標(biāo)在任意時間內(nèi)都能至少被一個無線傳感器節(jié)點檢測。 為了節(jié)約能耗，延長壽命將無線傳感器節(jié)點劃分為幾個分散的集合，要求每個集合都能完全覆蓋所有目標(biāo)。這些分散的集合都能隨時被激活。但在同一時間內(nèi)，僅有一個集合處于激活狀態(tài)。 此方法的目標(biāo)是最大化傳感器節(jié)點集合的數(shù)量，降低了無線傳感器的節(jié)點的工作時間，以延長網(wǎng)絡(luò)壽命。 （2）確定型點覆蓋問題 確定型點覆蓋問題的研究目標(biāo)是采用最少數(shù)量的無線傳感器節(jié)點對確定的目標(biāo)點集進(jìn)行檢測，同時還需要保證無線傳感器節(jié)點間的有效連通。實際應(yīng)用中，常通過在網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)造樹狀通信結(jié)構(gòu)、最小化通信節(jié)點數(shù)量的方式實現(xiàn)對確定型點覆蓋問題的優(yōu)化。